JP2013171645A - 照明用光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でかつ製造コストを抑えた照明用光学系を提供する。
【解決手段】 照明用光学系は、光線を発射する光源と、印加される電圧に従い、前記光源から発射される光線の屈折角を偏向可能な光偏向液晶光学素子と、前記光偏向液晶光学素子を通過した光線を所定の配光形状を有する再生光に変換するホログラム素子と、前記ホログラム素子から入射する再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから放射される可視光を前方に照射するレンズとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明用光学系に関し、特に、車両用の前照灯光学系に関する。

従来、ハロゲン、ＨＩＤ、ＬＥＤなどの非コヒーレント系の光源を用いた車両用前照灯光学系が知られている。車両の前照灯として用いられる光学系においては、走行ビーム配光パターンやすれ違いビーム配光パターンを形成する必要がある。従来の車両用前照灯光学系では、光源の周囲に配置されたリフレクタの反射面などにより配光パターンを作り、光源の光をそこに反射させて、投影レンズを介して前方に反転投影させている（例えば、特許文献１参照）。

また、ホログラム光学素子を投影レンズの前方に配置して、屈折により前照灯の照射領域を拡大して、所望の配光パターンを形成することが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−１５２９８０号公報 特開平０５−１３９２０３号公報

モーターなどの機械を用いてメカ的に配光制御を行う従来の技術では、可変配光車両用前照灯光学系を小型化することは困難であり、且つ製造コストを抑えることも難しい。

本発明の目的は、小型でかつ製造コストを抑えた照明用光学系を提供することである。

本発明の一観点によれば、照明用光学系は、光線を発射する光源と、印加される電圧に従い、前記光源から発射される光線の屈折角を偏向可能な光偏向液晶光学素子と、前記光偏向液晶光学素子を通過した光線を所定の配光形状を有する再生光に変換するホログラム素子と、前記ホログラム素子から入射する再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、前記蛍光体プレートから放射される可視光を前方に照射するレンズとを有する。

本発明によれば小型でかつ製造コストを抑えた照明用光学系を提供することができる。

本発明の第１の実施例による照明用光学系１００の一例を表す概略図である。 本発明の実施例によるプリズム液晶素子（光偏向液晶光学素子）２を概略的に示す厚さ方向断面図である。 プリズム層２０３の概略斜視図及びプリズム２０３ａの断面形状の拡大図である。 ガラス基板２０１上のプリズム層２０３の概略平面図である。 本発明の第１の実施例によるホログラム光学素子３を作製するための光学分割系干渉露光装置の一例を示す概略図である。 本発明の第１の実施例によるホログラム光学素子３を作製するための光学分割系干渉露光装置の一例を示す概略図である。 本発明の実施例による配光状態の光学像を表す平面図である。 本発明の第２の実施例による照明用光学系１０１の一例を表す概略図である。

図１は、本発明の第１の実施例による照明用光学系１００の一例を表す概略図である。なお、本願の全ての図中の各部の寸法、位置、角度等は実際のものとは異なる。

照明用光学系１００は、例えば、車両用のプロジェクター型前照灯（ヘッドライト）等の照明器具であり、カバー６０、光源１、プリズム液晶素子（光偏向液晶光学素子）２、ホログラム光学素子（回折光学素子）３、蛍光体プレート４、及びプロジェクターレンズ（投影レンズ）５を含んで構成される。また、必要に応じて遮光膜（カットオフパターン）６を含むようにしても良い。光源１、プリズム液晶素子２、ホログラム光学素子３、蛍光体プレート４、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５は、それぞれカバー６０に保持されている。また、プリズム液晶素子（光偏向液晶光学素子）２は、制御部３６に接続されている。

光源１は、半導体レーザダイオード（ＬＤ）等の高出力レーザであり、例えば、プリズム液晶素子２の表面に対して所定の角度（例えば、θ１又はθ２、もしくはθ１〜θ２の中間角度）の方向から、中心波長４０５ｎｍの青色レーザ（照明光）１０を照射する。なお、光源１としては、高出力のＬＥＤを用いることもできる。また、中心波長は４０５ｎｍに限らず、他の青色や紫外線（３７５ｎｍなど）でも良いが、中心波長４５０ｎｍ以下であることが好ましい。

プリズム液晶素子２は、光源１の光軸上に配置され、光の角度を制御する機能を有している。この機能は、光源１から照射される青色レーザ（照明光）１０を所望の角度（ホログラム光学素子３の表面上の所定位置）へ光を曲げて照射する機能である。プリズム液晶素子２の作製方法については図２〜図４を参照して後述する。

ホログラム光学素子３は、その表面が光源１とプリズム液晶素子２に対して所定の角度になるように配置され、波面変換機能を有している。波面変換機能は、記録された波面変換情報に基づき光源１からプリズム液晶素子２を介して照射される短波長レーザ（照明光）１０を所望の配光パターン（ヘッドライトに要求される配光状態）を有する再生光１１に変換する機能である。本実施例では、ホログラム光学素子３の表面上の場所ごとに異なる波面変換情報が記録されている。また、本実施例では、ホログラム光学素子３により、再生光１１の配光の形状だけでなく、輝度分布も作成可能である。なお、ホログラム光学素子３には、ナノレベルの加工がなされており、青色レーザ光に光強度の分布を持たせるとともに、所定のカットオフ形状にすることが可能である。ホログラム光学素子３は、図５に示す光学分割系干渉露光装置３００による撮影で作製される。作製方法の詳細については、図５〜図７を参照して後述する。なお、ホログラム光学素子３に対する波面変換情報の書き込みに用いるレーザの波長は、光源１から照射されるレーザ光１０の波長に近いものほど好ましい。また、ホログラム光学素子３の再生光１１は後段に配置される蛍光体プレート４の位置に再生されることが望ましい。

蛍光体プレート（蛍光体スクリーン）４は、ホログラム光学素子３の後段であり、かつプロジェクターレンズ５の焦点位置近傍に配置される。蛍光体プレート４は、樹脂やガラス等の透明基板に蛍光体４１を塗布したもの、又は樹脂やガラス等の透明基板に蛍光体４１を混ぜ込んだものである。本実施例では、ガラス基板に蛍光体４１を混ぜ込んだものを蛍光体プレート４として使用した。

蛍光体プレート４の透明基板は、ガラスもしくはできるだけ耐熱性、耐光性の高い樹脂を用いる。樹脂としては、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、シリコーン、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、エポキシ樹脂等のプラスチック等を用いることができる。

蛍光体４１としては、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して可視光を放射する材料が用いられ、好ましくは、青色もしくは紫外波長に対して黄色もしくは青色と赤色に発光する材料である。黄色に発光する材料としては、例えば、ＹＡＧ系蛍光体材料がある。その他、例えば、珪酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩系蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩系蛍光体、及びハロリン酸塩系蛍光体材料等の蛍光体材料を使用可能である。

なお、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度は、光源１から照射される光の量に応じて最適化することが望ましい。蛍光体プレート４から出射される光は白色であることが望ましいため、光源１の青色が残る厚さと密度が好ましいとともに、例えば、すれ違いビーム配光（ロービーム配光）状態は中央部が明るいため、中央部の蛍光体の密度を高くするもしくは厚みを厚くすることが望ましい。このように、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度を再生光１１の輝度分布に応じて変えることで、どの方向でも白色の光を得ることができる。

プロジェクターレンズ（投影レンズ）５は、凸レンズであり、蛍光体プレート４から出射される再生光１１を集光して前方に投影する。

制御部３６は、プリズム液晶素子２に印加する電圧を制御することにより、プリズム液晶素子２がレーザ光（照明光）１０を曲げる角度を調整し、ホログラム光学素子３に入射するレーザ光（照明光）１０の位置や角度を調整可能である。

遮光膜（カットオフパターン）６は、例えば、すれ違いビーム配光（ロービーム配光）状態において、再生光１１の一部を遮ることにより不必要な光をカットして、カットオフラインを形成する。遮光膜６は、必須の構成ではなく、ホログラム光学素子３のみで、再生光１１を必要なカットオフ形状に配光可能な場合には、省略が可能である。

以上の構成において、光源１を点灯させると、レーザ光（照明光）１０が、プリズム液晶素子２を通過して、ホログラム光学素子３に所定の角度（例えば、θ１又はθ２）で照射され、ホログラム光学素子３を透過した光（再生光）１１は、所定の光学像を結像する。

プリズム光学素子２に電圧を印加することにより、レーザ光（照明光）１０は曲げられて、電圧無印加時とは異なる位置に異なる角度でレーザ光（照明光）１０がホログラム光学素子３に照射される。例えば、電圧無印加時はθ１の角度で、ホログラム光学素子３の下半分の位置にレーザ光（照明光）１０が照射され、電圧印加時にはθ２の角度で、ホログラム光学素子３の上半分の位置にレーザ光（照明光）１０が照射される。これにより、電圧無印加時と印加時では、ホログラム光学素子３を透過した光（再生光）１１は、それぞれ異なる光学像を結像する。それらの光学像は光学分布を持った状態で、蛍光体プレート４に投影される。

蛍光体プレート４に投影された青い光である再生光１１は、蛍光体４１を照射し、その一部は黄色もしくは緑色と赤色に発光する（光源１の青色も残っているため、全体としては白色に発光する）。蛍光体プレート４は、プロジェクターレンズ５の焦点付近に配置されているため、そこでの白色発光像は、プロジェクターレンズ５を通って、前方に反転投影される。

以上のようにして、本発明の実施例による構成によれば、制御部３６により、プリズム液晶素子２に印加する電圧を制御することによって、レーザ光１０がホログラム光学素子３の表面の異なる位置（それぞれに異なる波面変換情報が記録された場所）に照射され、投影像の形状等を変えることが可能となる。

図２は、本発明の実施例によるプリズム液晶素子（光偏向液晶光学素子）２を概略的に示す厚さ方向断面図である。プリズム液晶素子２は、印加する電圧を変更することにより当該セルを透過する光の光路を変換（変更）可能な光路変換素子である。以下、プリズム液晶素子２の作製方法について説明する。

透明電極が形成された一対のガラス基板（透明電極２が形成されたガラス基板２０１、及び、透明電極２１２が形成されたガラス基板２１１）を用意した。ガラス基板２０１、２１１は、それぞれ、厚さ０．７ｍｍｔであり、材質は無アルカリガラスである。透明電極２０２、２１２は、それぞれ、厚さ１５０ｎｍであり、材質はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であり、所望の平面形状にパターニングされている。

片側のガラス基板２０１の透明電極２０２上に、プリズム層２０３を形成した。プリズム層２０３は、ベース層２０３ｂ上にプリズム２０３ａが並んだ形状を有する。ベース層２０３ｂの厚さは、例えば２μｍ〜３０μｍ程度である。本実施例では、ＵＶ硬化型のアクリル系樹脂等の１８０℃以上の熱処理に対する特性（透過率）変化の少ない材料（以下、単に耐熱性プリズム材料と呼ぶ）を用いてプリズム層２０３を形成する。なお、ＵＶ硬化型のアクリル系樹脂等の１８０℃以上の熱処理に対する特性（透過率）変化の少ない（１８０℃以上の熱処理が可能な）材料を用いることにより、従来では非常に困難であったポリイミド等からなるＬＣＤ用配向膜をプリズム上に形成できる。なお、本明細書において、「特性（透過率）変化の少ない」とは、特性（透過率）変化が熱処理前に比べて概ね２％以内である状態を示す。ＵＶ硬化型のアクリル系樹脂は、耐熱性だけでなく、ガラスへの密着性も優れていると共に金属には密着しにくい（離型性が良い）という性質を有しており、本発明の実施例によるプリズムを形成する材料として好適である。また、エポキシ系の樹脂も耐熱性に優れており、本発明の実施例によるプリズムを形成する材料として使用可能であると考えられる。また、ポリイミドも使用可能である。

図３は、プリズム層２０３の概略斜視図であり、右側部分にプリズム２０３ａの断面形状の拡大図を示す。各プリズム２０３ａは、例えば、頂角約８５°、底角が約５°及び約９０°の三角柱状であり、複数のプリズム２０３ａが、プリズム長さ方向と直交する方向（この方向を、プリズム幅方向と呼ぶこととする）に、方向を揃えて並んでいる。プリズム２０３ａの高さは約４〜５μｍであり、プリズム２０３ａの底辺の長さ（プリズムのピッチ）は約６０μｍである。

図４は、ガラス基板２０１上のプリズム層２０３の概略平面図である。プリズム層２０３の作製方法について説明する。プリズム層２０３の型が形成され、ガラス基板２０１（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ０．７ｍｍｔ）の透明電極２０２上に、所定量の耐熱性プリズム材料２０３Ｒ（例えば、紫外線（ＵＶ）硬化型のアクリル系樹脂）を滴下し、その上の所定位置に、離型剤もしくはコーティング剤付きのプリズム金型を置き、厚手の石英部材などを基板の裏側に配置して補強した状態でプレスを行った。金型のサイズ（プリズム形成領域のサイズ）は、縦８０ｍｍ×横８０ｍｍである。

プレスして１分以上放置し、耐熱性プリズム材料２０３Ｒを十分広げた後、ガラス基板２０１の裏側から紫外線を照射し、耐熱性プリズム材料２０３Ｒを硬化させた。紫外線の照射量は２００ｍＪ／ｃｍ^２とした。紫外線の照射量は、樹脂が硬化するように適宜設定すればよい。なお、ＩＴＯは紫外線を吸収するため、透明電極の膜厚が変われば紫外線照射量も変える必要があろう。

耐熱性プリズム材料２０３Ｒの硬化後、石英、プレス治具などを取り外し、プリズム層２０３が形成されたガラス基板２０１を押し下げることにより、プリズム金型から剥離する。

なお、プリズム層２０３の大きさは、耐熱性プリズム材料２０３Ｒの滴下量を調整することにより行う。滴下量を調整してプリズム形成領域全体Ａ１（縦８０ｍｍ×横８０ｍｍ）のうちの必要な領域Ａ２（縦６０ｍｍ×横６０ｍｍ）にプリズム層２０３を形成した。なお、プリズム層２０３を構成するＵＶ硬化型のアクリル系樹脂の屈折率は、１．５１である。

プリズム層２０３は、頂角の角度により、１辺から入射し、他辺から出射する光の進行方向を変える機能を有する。

図２に戻って説明を続ける。プリズム付きガラス基板２０１と、もう一方のＩＴＯ付きガラス基板２１１を洗浄機にて洗浄した。洗浄方法は、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線照射、赤外線乾燥の順に行った。なお、洗浄方法はこれに限らず、高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。

次に、プリズム層２０３上及びもう一方のガラス基板２１１の透明電極２１２上に、無機もしくは有機材料からなる配向膜２１３を形成した。プリズム層２０３上に配向膜２１３を形成することにより、配向規制力を十分なものにすることができる。ここでは、ポリイミド膜をフレキソ印刷法で厚さ８００Å形成して、２２０℃で１．５時間焼成を行った。焼成後、配向膜１３に配向処理を行った。配向膜２１３の配向方向は、両ガラス基板を重ね合わせてセルを形成したとき、プリズム層２０３上の配向膜２１３ともう一方のガラス基板２１１の透明電極２１２上の配向膜２１３のラビング方向とがアンチパラレルとなるように定めた。なお、配向膜２１３の材料としては、市販の多くのポリイミド配向膜材料が使用可能であるが、耐光性に優れた無機材料を用いることが好ましい。また、配向膜２１３の形成方法は、フレキソ印刷法に限らず、インクジェットやスピンコート、スリットコート、スリット＆スピンコート法などでもよい。

次に、プリズム層２０３上の配向膜２１３に対して、配向処理として光配向を実施した。ここでは紫外線を偏光した光をガラス基板２１１に対して法線方向から照射する方法を用いた。すなわち、プリズム層２０３の傾斜面に対しては４５°傾けた方向から照射した。露光に用いた偏光フィルタの波長は３１０ｎｍであり、照度８．５ｍＷ／ｃｍ^２で１２０秒間露光した（照射量：約１Ｊ/ｃｍ^２）。光配向方向は、露光に用いる偏光フィルタの偏光方向とプリズム方向（図３のｘ方向）が平行となるようにした。液晶分子の配向方向は紫外光の偏光方向に直交するように並ぶ。結果としてプリズム方向と直交する方向（図３のｙ方向）に液晶分子が配向するようにした。

配向方法として光配向を用いることにより、凸凹のあるプリズム層２０３上においても、均一な液晶配向を得ることができるようになる。結果として、ラビング処理に比べて、投影像の画質が著しく向上する。

もう一方のＩＴＯ付きガラス基板２１１の配向膜２１３に対しては、配向処理としてラビング処理を実施した。ストロングアンカリングになるように、押し込み量０．８ｍｍで、強めに押し込んでラビング処理を行った。ラビングの方向はプリズム層２０３の傾斜方向に対してアンチパラレルになるように、図２の矢印２１８の方向（図３のｘ方向とは逆方向）に行った。なお、ガラス基板２１１の配向膜２１３に対して光配向を行ってもよい。

次に、プリズム層２０３を形成した側のガラス基板２０１上に、ギャップコントロール剤を２ｗｔ％〜５ｗｔ％含んだメインシール剤２１６を形成した。形成方法として、スクリーン印刷やディスペンサが用いられる。プリズム層２０３のベース層（０．５μｍ〜３μｍ）とプリズムの高さ（０μｍ〜５μｍ）を含め液晶層２１５の厚さが、例えば１０μｍとなるように、ギャップコントロール剤を選択した。なお、プリズム層２０３は位置によって高さが変化するので、それに応じて液晶層２１５の厚さも変化する。

ここでは、ギャップコントロール剤として径が１５μｍの積水化学製のプラスチックボールを選択し、これを三井化学製のシール剤ＥＳ−７５００に４ｗｔ％添加して、メインシール剤２１６とした。

プリズムを形成しない側のガラス基板２１１上には、ギャップコントロール剤２１４として径が９μｍ又は１０μｍの積水化学製のプラスチックボールを、乾式のギャップ散布機を用いて散布した。

次に、両ガラス基板２０１、２１１の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させた。ここでは、１５０℃で３時間の熱処理を行った。

このようにして作製された空セルに、液晶を真空注入して、液晶層２１５を形成した。実施例では、液晶として、Δεが正でΔｎ＝０．２１程度（ｎｅ＝１．７２程度、ｎｏ＝１．５１程度）で、粘度２０ｃｃｐ程度のものを用いた。液晶は、比較的屈折率異方性が大きく、粘度が低い材料を用いることが好ましい。

液晶注入後、プレスを行い余分な液晶を吐き出してから、注入口にエンドシール剤を塗布し、封止した。封止後、１２０℃で１時間の熱処理を行い、液晶の配向状態を整えた。このようにして、プリズム液晶素子２を作製した。

配向膜２１３の配向処理を光配向により行った場合には、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行う必要がある。なぜならばプリズム層２０３上の配向膜２１３の光配向の配向規制力はそれほど強くなく、液晶注入時の液晶の流れの影響を受ける方向に配向（流動配向）する現象が見られる。これを解消するためには、高温処理を行い、液晶を一旦等方相温度以上にすることで流動配向を消去して本来の光配向に起因した方向に再配向させることができる。しかし、この方法では液晶を注入してから時間がたってしまうと流動配向が安定してしまい、多少の熱処理では完全に消去できなくなる（これを配向のメモリー性と呼ぶ）。したがって、液晶の注入から熱処理まではなるべく速やかに行うことが望ましく、可能であれば３時間以内、遅くとも２４時間以内に熱処理を行うことが望ましい。

実施例のプリズム液晶素子２において、電圧無印加状態で、液晶分子の長軸がプリズム長さ方向に直交し、電圧印加により、液晶分子の長軸が基板法線方向に立ち上がる。実施例に用いた液晶は、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分に対して、屈折率１．７２程度を示し、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に垂直な偏光成分に対して、屈折率１．５１程度を示す。

プリズム層２０３を構成するＵＶ硬化型のアクリル系樹脂の屈折率は、１．５１であり、電気ベクトルの振動方向が液晶分子の長軸方向に垂直な偏光成分に対する液晶の屈折率と同等である。なお、第１の材料の屈折率と第２の材料の屈折率との差が、第１の材料の屈折率または第２の材料の屈折率に対して３％以内（より好ましくは２％以内）であるとき、両材料の屈折率が同等であるとする。

したがって、実施例によるプリズム液晶素子２は、液晶分子の長軸が基板法線方向に立ち上がる電圧印加時には、液晶層の屈折率（１．５１程度）とプリズム層２０３の屈折率（１．５１）が同等となるので、プリズムの作用は消滅し、入射光をほぼそのまま直進させることとなる。一方、電圧非印加時（低い電圧の印加時を含む）には、液晶層の屈折率とプリズム層２０３の屈折率が異なるので、プリズムの作用が生じ、入射光を屈折させることとなる。

なお、プリズム形成用の金型にはエア抜き用の微小な溝を形成してもよい。また、金型と基板とは真空中で重ね合わせてもよい。なお、液晶の注入方法は真空注入に限らず、例えばＯｎｅＤｒｏｐ Ｆｉｌｌ（ＯＤＦ）法を用いてもよい。また、液晶の配向方向はアンチパラレルに限らない。

本発明者らは、以上のようにして作製したプリズム液晶素子２を用いたところ、電圧に応じて偏光レーザ光の角度を制御できることを確認した。電圧０Ｖのときに対し、電圧１０Ｖの時のレーザ光の角度は約１．５°（＝θ）変化した。また、その際の応答速度は、数百ｍｓｅｃ（具体的には、１００〜３００ｍｓｅｃ）であったので、ヘッドライトの配向パターン切り替えには十分な応答速度であることが確認できた。なお、この時は、偏光レーザの偏光方向とプリズム上の液晶配向が平行になるように、レーザとプリズム液晶素子２の向きを合わせて測定を行った。

なお、本実施例では、垂直配向且つ誘電率異方性が負の液晶を用いたが、水平配向且つ誘電率異方性が正の液晶を用いることもできる。また、プリズム上の配向膜２１３の配向方法は、光配向に限らず、ラビングなどほかの方法を用いることもできる。また、プリズム２０３ａの形状により液晶分子の倒れる方向はある程度制御されるため、ラビングなどの配向処理を行わないようにすることもできる。

また、プリズム２０３ａのピッチや高さ、ギャップコントロール剤の径などは、上述の例に限るものではない。例えば、５０Ｈｚの高速応答が要求される場合には、プリズム２０３ａの高さを２〜３μｍに設定し、１０Ｈｚ程度の応答速度の場合には、プリズム２０３ａの高さは５μｍ程度に設定すればよい。プリズム２０３ａのピッチは、振り角が１°以下でよい場合には、１００〜５００μｍに設定し、１°以上必要な場合には、１０〜１００μｍに設定することが望ましい。したがって、プリズム２０３ａの高さを「ｈ」、ピッチを「ｐ」とした場合、ｐ／ｈ＝５〜２００程度が好ましい。ただし、ピッチｐが大きくなるにつれ、プリズム２０３ａで光を振れる角度が小さくなるため、光学系の光路長を長く取る必要がある。

なお、レーザ光は干渉を起こしやすいため、プリズム液晶素子２の中のプリズム３ａのピッチが細かいと干渉の影響が顕著になりやすい。そこで、理想的にはレーザ光のスポット系（＜１ｍｍφ）以上にプリズム３ａのピッチを設定することが好ましく、設定が難しい場合にはプリズムピッチをなるべく長くするように設定することが好ましい。

図５は、本発明の第１の実施例によるホログラム光学素子３を作製するための光学分割系干渉露光装置３００の一例を示す概略図である。図中、それぞれの矢印は光線の進行方向を示す。以下、光学分割系干渉露光装置３００を用いたホログラム光学素子３の作製方法について説明する。

まず、ガラス基板などの透明基板３４に感光性モノマー（光を受けてポリマーとなるもの）３５を貼り合わせたものを用意する。感光性モノマー３５としては、例えば、デュポン製フォトポリマーＯｍｎｉｄｅｘや、他のフォトポリマー（銀塩乳剤等）を用いることができる。本実施例では、青色の波長に感度を持つフォトポリマーを用いた。

レーザ光源１１は、図１に示す光源１と同じ発光波長（例えば、４０５ｎｍ）を有するレーザ発振器である。なお、レーザ光源１１は、図１に示す光源１と同じ発光波長の±１０ｎｍ以内が好ましい。レーザ光源１１から発振されたレーザ光線１２は、ハーフミラー２２に４５度の角度で入射し、２つの光線１３、及び光線１４に分割される。

光線１３は、必要に応じて反射鏡２３によって反射された後に、コリメータ（ビームエキスパンダ）４０に入射する。コリメータ４０は、収束レンズ２４と、ピンホール２５と、コリメータレンズ２６とによって構成される。

コリメータ４０に入射した光線１３は、まず収束レンズ２４によって収束され、ピンホール２５内に位置する焦点を通過した後に発散して、コリメータレンズ２６に入射する。コリメータレンズ２６に入射した光線１３は、平行光線に変換されてホログラム作製用の参照光１３となる。この時、プリズム３３などを用いてホログラムへの入射角度を調整しても良い。

参照光１３は、感光性モノマー３５の表面に角度θ１で入射する。ここでの入射角θ１は、図１の照明用光学系１００における光源１の入射角度と同一とすることが好ましい。

一方、ハーフミラー２２で分割された光線１４は、反射鏡２７及び反射鏡２８により反射されて、物体光光学系５０に入射する。物体光光学系５０は、収束レンズ２９と、ピンホール３０と、凸レンズ３１とによって構成される。

物体光光学系５０に入射した光線１４は、まず収束レンズ２９によって収束され、ピンホール３０内に位置する焦点を通過した後に発散して、凸レンズ３１に入射する。凸レンズ３１に入射した光線１４は、さらに発散して、リフレクターミラー３２に入射する。

リフレクターミラー（ロービーム配光形成反射鏡）３２からの反射光はホログラム作製用の物体光１５となり、感光性モノマー３５の表面に法線方向から入射する。リフレクターミラー（ロービーム配光形成反射鏡）３２は、所望の配光状態の反射光を得るための反射鏡であり、本実施例では、すれ違いビーム（ロービーム）に必要な配光状態を得るための反射鏡である。

参照光１３と物体光１５とはフォトマスク３７を通じて感光性モノマー３５の所定の位置（一部分のみ）に照射される。感光性モノマー３５に入射した参照光１３と物体光１５とは、互いに干渉する。参照光１３及び物体光１５それぞれの位相情報及び振幅情報が、これらの光の干渉縞として感光性モノマー３５に記録される。なお、感光性モノマー３５に入射する参照光１３と物体光１５の光強度比は、２：１から１０：１程度が望ましく、光強度の和は１ｍＪ／ｃｍ２、照射時間は３０秒にて行った。

次に、図６に示すように、フォトマスク３７の位置をずらして、再度干渉露光を行った。このとき、参照光１３側はプリズム３３を変更する（もしくは回転させる）などして、参照光１３の光線の角度を変え、感光性モノマー３５の表面に角度θ２で入射させる。また、物体光１５側では、第１回目の干渉露光のときとほぼ同じ位置に配置されるリフレクターミラー３２を、例えば、ハイビーム（走行ビーム）配光形成反射鏡に入れ替え、第２回目の干渉露光を行う。

なお、本実施例で用いたデュポン製フォトポリマーＯｍｎｉｄｅｘは、１２０℃にて２時間熱処理することにより、回折効率を高くすることができる。

また、ハーフミラー２２は、参照光１３と物体光１５となる光線１４とに光線１２を分岐するものであり、ハーフミラー２２の代わりにビームスプリッターを用いても良い。また、平行光の角度を変えるためにプリズム３３を用いたが、ミラーなどを用いてもよい。また、予め平行光ではなく少し拡散する光にしておけば、参照光１３の光量が少し減少するものの、プリズム３３は不要となる。

以上のようにして、ホログラム光学素子３が完成する。このようにして得られたホログラム光学素子３に角度θ１及びθ２などからレーザ光を照射すると、その再生光から光源とは反対側の法線方向にリフレクターミラー３２で作られた様々な光学像が得られる。例えば、本実施例では、角度θ１からレーザ光を照射した場合は、図７（Ａ）に示すような、ロービーム配光状態の光学像を得ることができ、角度θ２からレーザ光を照射した場合は、図７（Ｂ）に示すような、ハイビーム配光状態の光学像を得ることができる。

なお、上述の実施例では、フォトマスク３７の位置を変えて、それぞれの位置に角度θ１又はθ２から参照光１３を感光性モノマー３５の表面に入射させ、それぞれの角度について異なる配光パターンを有するリフレクターミラー３２を用いて干渉露光を行ったが、フォトマスク３７の位置、参照光の入射角度θ及びリフレクターミラー３２の配光パターンを３種類以上用いて、当該種類の下図と同じ回数の干渉露光を行うようにしても良い。この場合、上記の２種類の配光状態に加えて、例えば、図７（Ｃ）に示すような高速走行用の配光状態や、図７（Ｄ）に示すような市街地走行用の配光状態を得ることができる。

なお、図７（Ｅ）は、図７（Ａ）〜（Ｄ）に示す配光状態（それぞれを順に配光状態Ａ〜Ｄとする）を上面から見た図である。

以上、本発明の第１の実施例によれば、光源１からのレーザ光１０を、体積ホログラムを用いたホログラム光学素子３により効率よく所望の配光パターン（例えば、ロービーム用の配光パターン）に変換することができる。

また、プリズム液晶素子２に電圧を印加することで、レーザ光の角度を１．５°程度連続的に振ることができる。それを利用して、ホログラム光学素子３に入射されるレーザ光の位置（及び角度）を変えることにより、ホログラム光学素子３の別の位置に書き込まれていた波面変換情報に基づく物体像が再生され、その光学像は別の光学分布を持った状態で蛍光体プレート４に投影される。なお、蛍光体プレートに再生光が投影される位置はほぼ同じである。このような構成により、様々な光学分布を持った投影像を電気的信号だけで切り替えることができる。

なお、フェイルセーフ上はプリズム液晶素子２に電圧を印加しないときに投影される配光状態はロービーム用の配光パターンであることが望ましい。

また、本発明の第１の実施例によれば、ホログラム光学素子３を用いて配光パターンを形成するので、照明用光学系（ヘッドライト）１００を小型化することができる。

さらに、本発明の第１の実施例によれば、光源１として単色レーザを用いることができるので、照明用光学系（ヘッドライト）１００の製造コストを抑えることが可能となる。

また、本発明の第１の実施例によれば、蛍光体プレート４の厚さ（蛍光体を塗布する場合は蛍光体の塗布厚）、及び蛍光体４１の密度を、光源１から照射される光の量に応じて変化させるので、どの方向においても白色光を得ることができる。

なお、図１に示す蛍光体プレート４は、図４に示すように、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５の焦点距離にあわせて、蛍光体プレート４ｂの中央部分７ａを、湾曲させても良い。さらに、図５に示すように、蛍光体プレート４ｃの中央部分７ｂを、ホログラム光学素子３から出射される再生光１１の輝度分布にあわせて厚くしても良い。また、蛍光体プレート４の中央部分を、プロジェクターレンズ（投影レンズ）５の焦点距離にあわせて半球状に膨らませても良い。図４及び図５に示すような形状の蛍光体プレート４ｂ又は４ｃを用いる場合は、ガラスもしくは樹脂材料に熱を加えて液状にし、蛍光体材料を混合攪拌しながら型に流し込んで作製することができる。

図８は、本発明の第２の実施例による照明用光学系１０１の一例を表す概略図である。

第２の実施例では、ホログラム光学素子８を第１の実施例によるホログラム光学素子３とは異なる方法で作製し、それに伴い、光源１からのレーザ光のホログラム光学素子８への入射角を変更した。それ以外の部分は、第１の実施例と同様である。以下、第１の実施例と異なる部分についてのみ説明する。

第２の実施例では、ホログラム光学素子８を第１の実施例のような光学分割系の干渉露光装置による撮影ではなく、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）を用いて作製した。

ホログラムは３次元の情報を記憶するが、光の干渉をシミュレートすることにより、計算機で作成することができる。本実施例では、光学設計を市販の回折光学設計ツール（ソフトウェア）を用いた計算で行った。光学設計の計算では、光源の情報（ニアフィールド、ファーフィールド）と、結果として得たい光学像（出力形状分布、輝度分布）情報を入力してシミュレーションすることで、最適な位相分布を得ることができる。

位相分布はミクロンオーダーもしくはサブミクロンオーダーの凹凸の分布であり、その加工にはレーザ描画法、電子ビーム描画法などを用いることができる。なお、機械切削、干渉露光装置なども活用可能である。

一旦元となる加工を行えば、その形状は金型で反転転写して作成することもできるため、安価にホログラム光学素子８を量産することが可能となる。位相分布を表す凸凹の断面形状は２段階以上の厚さ分布を持っていれば良く、好ましくは８段階程度の階段状の形状である。なお、レーザ描画機などを用いれば、連続的に厚さが変わる断面形状も形成できるため理想的である。

金型などから位相分布を表す凸凹を反転転写する材料としては、光硬化性樹脂（アクリル系もしくはエポキシ系など）を用いた。本実施例で用いた樹脂材料は耐熱性が高く、２００℃以上の熱処理に対しても透過率の変化がほとんど見られず（黄変することなく）、９０％以上の高い透過率を示した。また、本実施例で用いた樹脂材料はガラスへの密着性も優れているため、硬化性樹脂と貼り合わせる基板には、ガラス基板を用いた。

このようにして作製した第２の実施例のホログラム光学素子８も、第１の実施例によるホログラム光学素子３と同様に、光源１からプリズム液晶素子２を通過して照射されるレーザ光線を所定の輝度分布（例えば、ロービーム配光状態に適した輝度分布）と所定の配光形状（例えば、ロービーム配光状態に適した配光形状及びハイビーム配光状態に適した配光形状）を有する再生光に変換可能であった。ホログラム光学素子８から照射される再生光は第１の実施例と同様に、蛍光体プレート４及びプロジェクターレンズ５を介して前方に反転投影される。

また、この第２の実施例のようにＣＧＨで作製したホログラム光学素子８では、０次光（回折されずにホログラム光学素子をそのまま透過した光源の光）をほとんど無くすことができるので、図８に示すように、再生光がホログラム光学素子８の法線方向から入射するように光源１を配置することができる。なお、この場合、０次光が残ったとしても、０次光の方向を配光パターン中で最も輝度が高い方向となるように設計することで、０次光を活用することができる。

以上、本発明の第２の実施例によれば、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）を用いて作製したホログラム光学素子８により、上述した第1の実施例と同様の効果を得ることが可能である。

なお、ホログラム光学素子８のみではカットオフ形状を作りきれない場合は、第１の実施例と同様に、カットしたい部分（形状）に遮光膜を形成しても良い。

以上、本発明の第１及び第２の実施例によれば、小型でかつ製造コストを抑えた照明用光学系を提供することができる。

また、電気的に配光パターンを変えられるため、道路状況の応じた車両用前照灯を実現できる。よって、運転の安全性が向上する。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の各実施例による照明用光学系は、車両用ヘッドライト及びテールライト、フォグランプ、懐中電灯、一般照明、スポットライト、舞台照明、特殊照明、車両用インテリア・エクステリア照明等の各種照明機器等への応用が行える。

１…光源、２…プリズム液晶素子、３、８…ホログラム光学素子（回折光学素子）、４…蛍光体プレート、５…プロジェクターレンズ（投影レンズ）、６…遮光膜（カットオフパターン）、１０…青色レーザ（照明光）、１１…再生光、１２…レーザ光線、１３…光線（参照光）、１４…光線、１５…光線（物体光）、２１…レーザ光源、２２…ハーフミラー、２３…反射鏡、２４…収束レンズ、２５…ピンホール、２６…コリメータレンズ、２７、２８…反射鏡、２９…収束レンズ、３０…ピンホール、３１…凸レンズ、３２…リフレクターミラー、３３…プリズム、３４…透明基板、３５…感光性モノマー、３６…制御部、３７…フォトマスク、４０…コリメータ、４１…蛍光体、５０…物体光光学系、６０…カバー、１００、１０１…照明用光学系（ヘッドライト）、２０１、２１１…ガラス基板、２０２、２１２…透明電極、２０３…プリズム層、２０３ａ…プリズム、２０３ｂ…ベース層、２１３…配向膜、２１４…ギャップコントロール剤、２１５…液晶層、２１６…メインシール剤、１００…光偏向液晶セル、３００…光学分割系干渉露光装置

Claims (7)

1. 光線を発射する光源と、
   印加される電圧に従い、前記光源から発射される光線の屈折角を偏向可能な光偏向液晶光学素子と、
   前記光偏向液晶光学素子を通過した光線を所定の配光形状を有する再生光に変換するホログラム素子と、
   前記ホログラム素子から入射する再生光を吸収して可視光を放射する蛍光体を含む蛍光体プレートと、
   前記蛍光体プレートから放射される可視光を前方に照射するレンズと
   を有する照明用光学系。
2. 前記光偏向液晶光学素子は、
   相互に対向する一対の第１及び第２の透明基板と、
   前記第１及び第２の透明基板上に形成され、前記第１及び第２の透明基板間に電圧を印加する一対の第１及び第２の透明電極と、
   前記第１及び第２の透明基板の一方の上方に形成されるプリズムを有するプリズム層と、
   前記プリズム層上に形成され、前記画像表示装置の出力の偏光方向と平行に配向処理が施された配向膜と、
   前記第１及び第２の透明基板間に挟まれ、液晶分子を有する液晶層と
   を有し、
   印加される電圧にしたがい、前記液晶層の屈折率が変化することにより、前記プリズムの斜面と前記液晶層の界面を通過する前記光線の屈折角を偏向する請求項１記載の照明用光学系。
3. 前記プリズムの高さをｈ、ピッチをｐとした場合に、ｐ／ｈ＝５〜２００である請求項２記載の照明用光学系。
4. 前記ホログラム素子は、前記光偏向液晶光学素子を通過した光線が照射される位置により、該光線を異なる配光形状を有する再生光に変換する請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明用光学系。
5. 前記光源から発射される前記光線は、中心波長が４５０ｎｍ以下であり、
   前記蛍光体は、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して、可視光を放射する請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明用光学系。
6. 前記蛍光体は、前記輝度分布に対応して、密度分布又は厚さ分布を有している請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明用光学系。
7. 前記ホログラム素子は、計算機合成ホログラムである請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明用光学系。

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